TWI718376B

TWI718376B - 光源裝置

Info

Publication number: TWI718376B
Application number: TW107117149A
Authority: TW
Inventors: 松島竹夫
Original assignee: 日商牛尾電機股份有限公司
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2021-02-11
Also published as: JP2018205635A; WO2018225774A1; TW201903318A; JP7025683B2

Abstract

本發明的課題，係藉由簡易之光學系的構造，讓抑制亮度的降低與抑制照度不均兩立的光源裝置。　　解決手段是光源裝置具備包含複數LED元件的光源部、不讓從光源部射出的光線平行且縮小發散角的第一光學系、對從第一光學系射出的光線進行聚光的第二光學系、及射入面配置於第二光學系的焦點位置的積光器光學系。

Description

光源裝置

本發明係關於光源裝置，尤其，關於具備複數LED元件的光源裝置。

先前，活用光線的光處理技術在各式各樣的領域中被利用，例如使用光線的細微加工使用曝光裝置。近年來，曝光技術在各種領域中展開，即使細微加工之中，也利用於比較大之圖案的製作及3維的細微加工。更具體來說，例如於LED的電極圖案的製作、加速度感測器所代表之MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)的製造工程等利用曝光技術。

於該等光處理技術中，作為光源，從以前開始使用高亮度的放電燈。但是，伴隨近年的固體光源技術的進步，檢討作為光源利用配置複數LED者。

於後述專利文獻1，揭示使從複數LED元件射出之光線成為平行光之後，進行聚光並射入至圓柱型光學積分器的光學系。於後述專利文獻2，揭示利用將從複數LED元件射出之光線通過透鏡陣列，產生作為二次光源的放大實像之後，將從該放大實像射出之光線透過聚光透鏡導引至被照射面的光學系。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2014-207300號公報　　[專利文獻2]日本特開2006-133635號公報

[發明所欲解決之課題]

LED元件係利用將電流流通於半導體層，發出光線的元件。然後，於LED元件的發光面，容易存在亮度高的區域與亮度低的區域，容易發生因應場所的亮度不均。例如，於LED元件的發光面側，配置用以對於半導體層供給電流的電極時，電極形成之處會成為非發光區域，故形成電極之處與未形成電極之處不可避免地會發生亮度的分布不均。又，即使於與LED元件的發光面相反側之面，配置用以對於半導體層供給電流的電極之狀況中，在配置電極之附近的區域，與離開前述區域的區域中產生電流密度的差，有據此產生亮度的分布之狀況。進而，於與LED元件的發光面相反側之面，配置用以對於半導體層供給電流的電極的構造之狀況中，也考慮到因為背面側的電極直接映入發光面側，於發光面上形成亮度低的區域之狀況。

專利文獻1的技術係使來自各LED元件的射出光成為平行之後，藉由聚光透鏡聚光，將圓柱型光學積分器配置於聚光透鏡的焦點位置。因此，於圓柱型光學積分器的光射入面，來自各LED元件的射出光線幾乎聚集於一點，故可實現高亮度。

然而，於圓柱型光學積分器的光射入面，各LED元件的發光面本身會作為像而顯現。因此，於該射入面上，存在上述之亮度不均。在圓柱型光學積分器內，利用射入的光線重複反射來混合，故在圓柱型光學積分器的光射出面中，期待相較於光射入面，抑制照度不均。但是，對於為了充分實現該效果來說，需要充分確保反射次數之處，則需要配置比較大型的圓柱型光學積分器。

專利文獻2的技術係藉由設置於聚光透鏡的前面的透鏡陣列，配置各LED元件的放大實像，藉此實質產生二次光源。該二次光源係在比鄰接之LED元件彼此的間隔更狹小之狀態下配置，故緩和了起因於鄰接之LED元件彼此的間隔的非發光區域存在所導致之亮度不均。然後，從聚光透鏡射出之光線，係以聚光於因應發散角而不同的位置之方式形成，故可實現於照射面上平滑的照度分布。藉此，緩和起因於存在於各LED元件之發光線上的亮度不均的照度不均。

然而，因為是光線被聚光於照射面上之不同位置的光學系，故不可避免地，有效照射區域內的平均亮度比在該照射區域內的最高亮度還低。在專利文獻2的方法中，考量利用配置複數段的透鏡陣列來採取對於該亮度降低的對策，但是，有光學系複雜化，裝置規模的擴大與導致繁雜的光軸調整之課題。

本發明係有鑑於前述的課題，目的為實現藉由簡易之光學系的構造，讓抑制亮度的降低與抑制照度不均兩立的光源裝置。 [用以解決課題之手段]

關於本發明的光源裝置，其特徵為具備：　　光源部，係包含複數LED元件；　　第一光學系，係不讓從前述光源部射出的光線平行且縮小發散角；　　第二光學系，係對從前述第一光學系射出的光線進行聚光；及　　積光器光學系，係射入面配置於前述第二光學系的焦點位置。

依據前述的構造，從複數LED元件射出，射入至第二光學系的複數光線為非平行。因此，於第二光學系的焦點位置中，該等複數光線不會聚光於一點，而是被聚光於具有所定大小的區域內。於該焦點位置配置有積光器光學系的射入面，故於積光器光學系的射入面上，LED元件的像本身不會明確地顯現，而是以所謂「模糊(Out of focus)」的狀態顯現像。

前述的構造係如此意圖性地在模糊的狀態下將光線導引至積光器光學系的射入面。此時，關於伴隨發光區域與以電極等構成的非發光區域存在於LED元件的發光面上所產生的亮度不均，也在模糊的狀態下顯現於積光器光學系的射入面。藉此，和從在LED元件上存在電極之處(非發光區域)射出的光線被導引的場所對應之亮度低的區域的一部分，與和從發光區域射出之光線被導引的場所對應之亮度高的區域的一部分，在積光器光學系的射入面上重疊對合。其結果，相較於專利文獻1的構造，在積光器光學系的射入面上的亮度不均降低，從積光器光學系射出之光線的照射面上的照度不均也降低。在此所謂「照射面」代表預定利用從本發明的光源裝置射出之光線的區域。

又，依據前述的構造，僅利用將從複數LED元件射出的光線，在模糊的狀態下導引至積光器光學系的射入面即可實現，故相較於專利文獻2的構造，可利用極為簡易的光學系實現。進而，積光器光學系的射入面是第二光學系的焦點位置，故射入至積光器光學系的射入面上的光線可確保高亮度。然後，該高亮度的光線，透過積光器光學系射出至照射面。亦即，相較於專利文獻2的構造，可將高亮度的光線導引至照射面。

進而，依據前述的構造，例如利用調整第一光學系與第二光學系的距離，可容易調整被導引至積光器光學系的射入面之像的焦點。調整成像的焦點對合的方向的話，可提升在積光器光學系的射入面上的亮度之外，前述射入面上之亮度的不均容易顯現。相反地，調整成像的焦點偏離的方向的話，更可消解在積光器光學系的射入面上的亮度不均之外，前述射入面上的亮度會降低。因應利用從光源裝置射出之光線的應用程式的要求，可進行隨機應變的對應。

前述LED元件，係於與前述第一光學系對向之側，具有發光面與以區隔前述發光面之方式設置之線狀的電極；　　將從前述LED元件的中心點射出之光線的最大放射角設為θ₁ ，前述光線射出於前述第二光學系之後的聚光角設為θ₂ ，前述電極的寬度設為d₁ ，與前述光線射出於前述第二光學系之後橫跨前述焦點位置時之光軸正交的長度設為L₁ 時，以L₁ 之值滿足後述(1)式之方式，調整前述第一光學系及前述第二光學系的位置亦可，

前述積光器光學系，係以複數透鏡配置成矩陣狀的蠅眼鏡所構成亦可。 [發明的效果]

依據本發明的光源裝置，可藉由簡易的光學系，讓抑制亮度的降低與抑制照度不均兩立。

以下，針對本發明的光源裝置，參照圖面來進行說明。再者，各圖之尺寸比與實際的尺寸比不一定一致。

圖1係模式揭示光源裝置的光學系之一例的圖面。光源裝置1具備光源部2、第一光學系5、第二光學系7、積光器光學系8。

光源部2包含複數LED元件3。在本實施形態中，作為一例，複數LED元件3配置於所定平面上(在此設為X-Y平面)。但是，於本發明中，複數LED元件3的配置樣態作為任何樣態亦可。再者，於圖1中，將光軸11的方向設為Z方向。

第一光學系5係不使從複數LED元件3射出的光線平行，而縮小發散角的光學系，對應各LED元件3配置複數透鏡6所構成。在圖1中，圖示對應各LED元件3配置一個透鏡6的構造，但是，對應各LED元件3，於光軸11的方向配置複數透鏡6亦可。

第二光學系7係將從第一光學系5射出的光線，聚光於第二光學系7的焦點7f的光學系。

在本實施形態中，積光器光學系8藉由蠅眼鏡10所構成。蠅眼鏡10係以其射入面10a成為第二光學系7之焦點7f的位置之方式配置。但是，在本說明書中，「配置於焦點位置」係除了完全與焦點位置一致之狀況之外，包含相對於焦點距離僅往與光軸11平行的方向移動±10%的方向之位置的概念。再者，圖1之光軸11係設為與積光器光學系8的射入面，亦即蠅眼鏡10的射入面10a正交的軸。

從各LED元件3射出的光線，係通過第一光學系5及第二光學系7，朝向蠅眼鏡10的射入面10a行進。第二光學系7為聚光光學系，故各光線會朝向第二光學系7的焦點7f行進。但是，如上所述，從第一光學系5射出的光線並未平行(Collimate)。因此，射入至蠅眼鏡10的射入面10a的光線，並未聚光於一點，而是聚集於具有寬度的區域13內。

此時，於蠅眼鏡10的射入面10a上，LED元件3的像在模糊的狀態下顯現。亦即，在焦點未對合的狀態下顯示像。再者，於圖1中，以符號15表示在蠅眼鏡10不存在時LED元件3的像所成像的位置。

圖2係從光取出面側，亦即第一光學系5側於Z軸方向觀看LED元件3時的模式俯視圖。LED元件3係具有取出半導體層中產生之光線的發光區域22，與用以對於半導體層供給電流之線狀的電極21。再者，在圖2中，連結用以對於電極21從外側供給電流的引線14。

電極21係例如以Ni/Al/Ni/Ti/Au、Cr/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Pt/Cr/Au/Cr/Pt/Au等構成。亦即，電極21係以完全或幾乎不透射LED元件3產生之光線的材料構成，構成非發光區域。亦即，LED元件3的發光面具有發光區域22與由電極21所成的非發光區域。

如上所述，依據本實施形態的構造，於蠅眼鏡10的射入面10a上，出現模糊之狀態的LED元件3的像。藉此，由電極21所成之非發光區域的像的一部分，係與發光區域22的像的一部分重疊對合。結果，於射入面10a上射入亮度不均被緩和的光線。

又，蠅眼鏡10的射入面10a係配置於第二光學系7的焦點位置。因此，於射入面10a，從所有LED元件3射出的光線被聚光於狹小的區域13內，對於蠅眼鏡10射入高亮度的光線。藉此，可對於利用從蠅眼鏡10射出之光線的應用程式，提供高亮度的光線。

圖3A～圖3D係模式揭示本發明的作用的圖面。圖3A～圖3C係模式揭示LED元件3的焦點對合於蠅眼鏡10時之蠅眼鏡10的光射入面上的像的圖面。LED元件3的焦點對合於蠅眼鏡10之狀況，係對應例如於圖1中，從LED元件3射出之光線成為平行之後，射入至第二光學系7之狀況。

圖3A係模式揭示蠅眼鏡10之射入面上的像的圖面，圖3B係從圖3A僅抽出蠅眼鏡10的各區域的圖面。於圖3A及圖3B，模式揭示電極21的像21b與發光區域22的像22b顯現於各蠅眼鏡10的射入面上之樣子。

如圖3A及圖3B所示，在LED元件3的焦點對合於蠅眼鏡10時，於從蠅眼鏡10射出之光線的照射面上，如圖3C所示，各LED元件3的像3b重疊對合地顯示。結果，於照射面上，在電極21的像21b重疊對合的區域，與發光區域22的像22b重疊對合的區域中，易出現亮度的差。於圖3C中，以10b表記蠅眼鏡10之外周部的像。

相對於此，如本實施形態，LED元件3的焦點偏離於蠅眼鏡10時，如圖3D所示，蠅眼鏡10之外周部的像10b會偏離，故電極21的像21b及發光區域22的像22b分別偏離地重疊對合。結果，相較於圖3C的狀態，緩和了照射面上之亮度的差。

圖4係模式揭示從一個LED元件3射出之光線的圖面。於圖4中，θ₁ 是從LED元件3的中心點射出之光線的最大放射角，θ₂ 是從LED元件3的中心點射出之光線從第二光學系7射出之後的聚光角。又，L₁ 是前述光線射出於第二光學系7之後，橫跨第二光學系7的焦點位置7f時之與光軸11正交的長度。

於圖2中，LED元件3具備之電極21的寬度設為d₁ 的話，以滿足後述(1)式之方式，調整第一光學系5及第二光學系7的位置為佳。

過於縮減L₁ 的大小的話，雖然蠅眼鏡10的射入面10a上之亮度會變高，但是，LED元件3上的發光區域22與構成非發光區域的電極21會明確地顯現。其結果，在射入面10a上之亮度不均會顯在化。另一方面，過於增加L₁ 的大小的話，因為LED元件3上的發光區域22與電極21的邊際模糊，雖然蠅眼鏡10的射入面10a上之亮度不均消解，但是，在射入面10a上的亮度會降低。

非發光區域的大小係依存於電極21的寬度。因此，於電極21的寬度大的LED元件3中，射入面10a上之亮度不均容易出現。此種狀況中，利用提升在射入面10a上之模糊的程度，以提升亮度不均的降低性能。相反地，於電極21的寬度小的LED元件3中，則降低模糊的程度，以提升射入面10a上的亮度。藉此，可對於利用光線的應用程式，提供抑制了亮度降低與照度不均雙方的光線。

作為一例，設為θ₁ =120°、θ₂ =3°、d₁ =15μm的話，則成為1.2mm≦L₁ ≦30mm。作為取得之值，θ₁ 為60°以上150°以下，θ₂ 為1°以上50°以下，d₁ 為5μm以上100μm以下。

[其他實施形態] 　　以下，針對其他實施形態進行說明。

＜1＞在上述之實施形態中，已說明作為以LED元件3的像所成像的位置15，成為比蠅眼鏡10的射入面10a更靠後段的位置之方式配置各光學系者。但是，如圖5所示，以LED元件3的像所成像的位置15，成為比蠅眼鏡10的射入面10a更靠前段的位置之方式配置各光學系亦可。即使於該狀況中，於蠅眼鏡10的射入面10a上的區域13，各LED元件3的像也在模糊的狀態下顯現。

＜2＞在上述之實施形態中，已針對積光器光學系8以蠅眼鏡10構成之狀況進行說明。但是，如圖6所示，也可設為積光器光學系8以圓柱型光學積分器30構成。

圓柱型光學積分器30係利用一邊重複將射入至射入面30a的光線在側面全反射，一邊導引至射出面30b，對射出面30b之光線的照度分布進行均勻化之功能的導光構件(光導件)的一例。此種導光構件係例如以由玻璃或樹脂等之光透射性的材料所成的柱狀構件、內面以反射鏡構成的中空構件等構成。後者的構造者有特別稱為光通道之狀況。再者，導光構件係於其內部中，於與光軸平行的方向分割複數光路徑所構成亦可。

但是，蠅眼鏡10係利用在分割之各透鏡的像在照射面上重疊對合，以謀求照度的均勻化的光學構件，相對於此，圓柱型光學積分器30係利用來自發光面的射出光，在圓柱型光學積分器30的內部重複反射，以謀求照度的均勻化的光學構件。因此，相較於圓柱型光學積分器30，蠅眼鏡10容易受到LED元件3的發光面上之亮度差的影響。因此，如上述實施形態中所說明般，在積光器光學系8以蠅眼鏡10構成時，可更加確保消解亮度不均的效果。

＜3＞本發明並不是排除在光源部2與第一光學系5之間適當配置反射光學系，變更光線的行進方向的樣態者。又，本發明並不是排除包含於光源部2的各LED元件3大略配置於XY平面上，幾個LED元件3於Z方向變位配置的樣態者。將反射光學系適當配置於光源部2與第一光學系5之間，大略配置各LED元件3的平面是與XY平面不同之平面之狀況也相同。

＜4＞在上述之實施形態中，LED元件3係已說明作為於與發光區域22相同側之面形成電極21者，但是，作為於與發光區域22相反側之面形成電極者亦可。即使在該狀況中，也可能因應電極的位置、來自電極的距離，於發光區域22的面內產生亮度的分布。此種亮度的分布，係只要LED元件3以相同的設計來製造，對於各LED元件3同樣地會發生。因此，使從各LED元件3射出之光線平行之後聚光時，會發生相同課題。

所以，即使在光源部2具有複數個電極形成於與發光區域22相反側之面的LED元件3之狀況中，也可利用將從光源部2射出之光線，不藉由第一光學系5使其平行而縮小發散角之後，藉由第二光學系聚光，並射入至配置於第二光學系7之焦點7f的位置的積光器光學系8，於積光器光學系8的射入面上，讓LED元件3的像在「模糊」之狀態下顯現，故可獲得緩和在積光器光學系8之射入面上的亮度不均的效果。

1‧‧‧光源裝置2‧‧‧光源部3‧‧‧LED元件3a、3b‧‧‧LED元件的像5‧‧‧第一光學系6‧‧‧透鏡7‧‧‧第二光學系7f‧‧‧第二光學系的焦點8‧‧‧積光器光學系10‧‧‧蠅眼鏡10a‧‧‧蠅眼鏡的射入面10b‧‧‧蠅眼鏡之外周面的像11‧‧‧光軸13‧‧‧光線的射入區域14‧‧‧引線15‧‧‧LED的像所成像的位置21‧‧‧電極(非發光區域)21b‧‧‧電極(非發光區域)的像22‧‧‧發光區域22b‧‧‧發光區域的像30‧‧‧圓柱型光學積分器30a‧‧‧圓柱型光學積分器的射入面30b‧‧‧圓柱型光學積分器的射出面

[圖1]模式揭示光源裝置的光學系之一例的圖面。　　[圖2]LED元件的模式俯視圖。　　[圖3A]模式揭示LED元件的焦點對合於蠅眼鏡時之蠅眼鏡的光射入面上的像的圖面。　　[圖3B]從圖3A僅抽出蠅眼鏡的各區域進行揭示的圖面。　　[圖3C]模式揭示LED元件的焦點對合於蠅眼鏡時之照射面上的像的圖面。　　[圖3D]模式揭示LED元件的焦點偏離於蠅眼鏡時之照射面上的像的圖面。　　[圖4]模式揭示從一個LED元件射出之光線的圖面。　　[圖5]模式揭示其他實施形態之光源裝置的光學系的圖面。　　[圖6]模式揭示其他實施形態之光源裝置的光學系的圖面。

1‧‧‧光源裝置

2‧‧‧光源部

3‧‧‧LED元件

5‧‧‧第一光學系

6‧‧‧透鏡

7‧‧‧第二光學系

7f‧‧‧第二光學系的焦點

8‧‧‧積光器光學系

10‧‧‧蠅眼鏡

10a‧‧‧蠅眼鏡的射入面

11‧‧‧光軸

13‧‧‧光線的射入區域

15‧‧‧LED的像所成像的位置

Claims

一種光源裝置，其特徵為具備：　　光源部，係包含複數LED元件；　　第一光學系，係不讓從前述光源部射出的光線平行且縮小發散角；　　第二光學系，係對從前述第一光學系射出的光線進行聚光；及　　積光器光學系，係射入面配置於前述第二光學系的焦點位置。
如申請專利範圍第1項所記載之光源裝置，其中，　　前述LED元件，係於與前述第一光學系對向之側，具有發光面與以區隔前述發光面之方式設置之線狀的電極；　　將從前述LED元件的中心點射出之光線的最大放射角設為θ₁ ，前述光線射出於前述第二光學系之後的聚光角設為θ₂ ，前述電極的寬度設為d₁ ，與前述光線射出於前述第二光學系之後橫跨前述焦點位置時之光軸正交的長度設為L₁ 時，以L₁ 之值滿足後述(1)式之方式，調整前述第一光學系及前述第二光學系的位置，
如申請專利範圍第1項或第2項所記載之光源裝置，其中，　　前述積光器光學系，係以複數透鏡配置成矩陣狀的蠅眼鏡所構成。